DESIGN OF EXPERIMENT (DOE) UNTUK MENDAPATKAN KOMPOSISI TERBAIK METHANE BERBAHAN SAMPAH PADAT PERKOTAAN

Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) 2014 Yogyakarta, 15 November 2014

ISSN: 1979-911X

DESIGN OF EXPERIMENT (DOE) UNTUK MENDAPATKAN KOMPOSISI TERBAIK METHANE BERBAHAN SAMPAH PADAT PERKOTAAN. 1,2,3

Agus Mansur1, Agus Taufik2, Dian Janari3 Jurusan Teknik Industri. Fakultas Teknologi Industri. Universitas Islam Indonesia Jl. Kaliurang KM 14,5 Yogyakarta Email : [email protected], [email protected]

ABSTRACT The increasing amount of municipal solid waste (SPP), which is produced by the community, will decrease the quality of people’s lives. Thus, a solution is required in order to be proceeded as a beneficial action for the society.Biogas is obtained by degrading organic material such as SPP-trap by microorganisms in the conditions which is relatively lack of oxygen.However, to get the optimum biogas, there should be a wide variety of experiments on the mixture ratio of various materials, such as water, cow dung and other organic waste solids. It is possible; adding the other materials in a certain condition can improve the scale of success of methane compounds formation. Design Of Experiment is an alternative statistics approach that can be done to formulate the optimal composition of the compounds, and it is expected to produce methane which can be a high-quality fuel. Based on data analysis that has been done, it can be concluded that factors which significantly affect the volume of the methane gas that is produced from the process are cow dung and wet garbage.T he combination of optimum factor levels, based on the analysis of Signal to Noise Ratio and value effect of each factor on the methane gas volume produces the best formulations, which are A1, B2, C2, D1, E2, F1, G2 with composition of 20 grams cow dung, 12 ml of inkoulumus, 12 grams of wet garbage, 5 ml of distilled water, 82% N2, 20% CO2 gas, and 25 rpm of mortar rounds. Keywords: DOE, SPP, Optimal. PENDAHULUAN Indonesia adalah salah satu negara penghasil minyak dan gas, namun berkurangnya cadangan minyak, penghapusan subsidi menyebabkan harga minyak naik dan kualitas lingkungan menurun akibat penggunaan bahan bakar fosil yang berlebihan. Oleh karena itu, pemanfaatan sumber-sumber energi alternatif yang terbarukan dan ramah lingkungan menjadi pilihan. Salah satu dari energi terbarukan adalah biogas, biogas memiliki peluang yang besar dalam pengembangannya. Kuantitas sampah padat perkotaan (SPP) di Indonesia cenderung mengalami peningkatan setiap tahun seiring dengan pertumbuhan jumlah penduduk dan laju ekonomi yang sangat tinggi. Dengan asumsi setiap orang membuang 1,5 kg SPP/hari, maka ada sekitar 300 ribu ton SPP yang dibuang oleh seluruh penduduk Indonesia setiap harinya dimana lebih dari separonya ada di Pulau Jawa. Dari jumlah tersebut diperkirakan 15% merupakan sampah organik padat (SOP) yang berasal dari kegiatan rumah tangga, restoran, perhotelan dan aktivitas lain. Pembuangan SOP ke lingkungan tanpa melalui pengolahan akan menyebabkan pencemaran air dan tanah serta menjadi sumber emisi gas rumah kaca (greenhouse gases) berupa gas metana. Selain itu, proses pengelolaan sampah dari produsen SPP ke tempat pembuangan akhir (TPA) membutuhkan biayacukup besar baik itu dari produsen sampah (rumah tangga, restoran, perhotelan) maupun dari anggaran pemerintah. Pemanfaatan SPP sebagai bahan baku pembangkitan energi biogas merupakan salah satu solusi efektif dalam mengatasi kedua permasalahan tersebut. Teknologi pembangkitan energi biogas dikhususkan untuk pengolahan SOP melalui proses yang dikenal dengan anaerobic digestion yaitu proses pembusukan (degradation) senyawa organik menjadi biogas (terdiri atas gas metana dan karbondioksida) serta senyawa organik yang lebih stabil sebagai pupuk organik. Proses anaerobic digestion untuk memproduksi biogas dari bahan organik dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya: (1) substrat yang mengalami fermentasi adalah substrat ynag baik (Winarno, 1992); (2) suhu pada proses fermentasi anaerob sangat peka terhadap perubahan suhu. (Wellinger and Lindeberg, 1999) sehingga peningkatan suhu dapat meningkatkan produksi biogas (Metcalf dan Eddy 2003; NAS 1981; Bitton 1999; Wllinger 1999); (3) pH yang baik digunakan dalam proses perombakan anaerob adalah pH netral antara 6,6-7,6 (Ikbal et al 2003; Kadarwati 2003; Reith et al. 2002); (4) Volatile solid (VS) Volatile Solids merupakan bahan makanan untuk proses hidrolisis dan pembentukan asam secara anaerob (Karki et al. 1994); (5) Total solid adalah padatan yang diukur berdasarkan jumlah padatan (mg/l) yang tersisa pada pemanasan suhu 103-105°C (Isa.etal.,1980); (6) hydraulic retention time (HRT) HRT adalah lamanya substrat berada dalam reaktor sebelum keluar sebagai hasil olahan (effluent) (Kida et al. 1990). B-343


ISSN: 1979-911X

METODE PENELITIAN Objek Penelitian Objek penelitian adalah mengetahui kapasitas volume kandungan gas metahene, penelitian dilakukan di laboratrium Teknik Kimia Universitas Islam Indonesia. Objek yang ditelliti pada penelitian ini adalah kapasitas volume gas methane. Jenis dan Sumber Data Data primer adalah data penelitian lapangan yang diperoleh dari aktivitas yang dilakukan pada penelitian sebelumnya. Data primer yang dipakai sebagai variabel respon adalah kapasitas volume kandungan gas methane, data sekunder adalah data yang diperoleh secara tidak langsung baik dari buku-buku, literature penelitian yang berhubungan dengan pembuatan gas berbahan limbah, jurnal, majalah dan data-data lain yang dapat mendukung penelitian ini. Bahan dan alat Bahan dan alat yang digunakan dalam penelitian adalah: sampah organik padatan, inokulum kotoran sapi, aquadest. Sedangkan alat yang dipakai adalah: blender, furnace, pengaduk magnet, alatalat gelas, oven, digester, dan instrumen untuk karakterisasi adsorben. Proses Eksperimen Langah-langkah proses eksperimen adalah sebagai berikut: 1. Campuran sampah yang diambil dari rumah tangga dan restoran dipisahkan komponen non organiknya kemudian dikecilkan ukurannya sampai berukuran 2 mm. 2. 10ml dan 12 ml inokulum yang telah disiapkan kemudian memasukkan ke dalam botol reaktor. 3. Selanjutnya ditambahkan campuran air, kotoran sapi dan sampah organik padatan dengan perbandingan sesuai level faktor ke dalam botol dan sambil diaduk untuk membuat campuran homogen. 4. Melakukan pengamatan suhu dan pH campuran pada botol untuk terus homogen. 5. Botol penampung yang sudah disiapkan ditutup dengan karet sumbat dan dirapatkan dengan lem kaca silicon. 6. Botol penampung kemudian direndam di dalam air untuk memastikan tidak ada kebocoran pada karet sumbat. 7. Penambahan volume gas pada botol diukur setiap hari, dimulai 1 x 24 jam sejak botol ditutup. Pengukuran dilakukan dengan cara menyuntikkan jarum syringe menembus karet sumbat. 8. Melakukan pengamatan perubahan posisi handle syringe menunjukkan penambahan volume gas dari proses fermentasi. 9. Bekas suntikan jarum ditutup dengan menggunakan lem kaca silicon, dan 10. Merendam botol ke dalam air selama 2 menit (untuk memastikan karet sumbat rapat). 11. Mengambil kapasitas volume gas pada hari ke 30. 12. Melakukan pengulangan empat kali campuran sesuai dengan level faktor. Identifikasi Variabel Penelitian Variabel respon yang dipilih adalah volume gas methane. Metode Pegumpulan Data Metode yang diperlukan dalam pengumpulan data penelitian melalui. Penelitian lapangan merupakan usaha pengumpulan data faktual dan informasi secara intensif dan disertai dengan analisis dan pengujian atas semua data yang dikumpulkan dan penelitian literatur merupakan upaya mengumpulkan data dengan studi Kepustakaan yang dilakukan untuk memperoleh data dan informasi yang akan digunakan sebagai referensi sebagai landasan teori, sistematika penulisan, dan kerangka berfikir alamiah yang diambil dari literatur serta laporan – laporan sebelumnya yang mendukung terhadap penelitian yang dilakukan. Perancangan Eksperimen Perancangan eksperimen merupakan penyediaan informasi yang dibutuhkan untuk melakukan eksperimen. Tahap-tahap yang dilakukan pada perancangan eksperimen adalah sebagai berikut : 1. Pemilihan karakteristik kualitas produk yang akan diteliti. 2. Identifikasi dan pemilihan faktor-faktor yang berpengaruh terhadap karakteristik kualitas. B-344


ISSN: 1979-911X

3. Penentuan faktor-faktor kendali dan faktor noise serta penentuan level faktor. 4. Pemilihan matriks Orthogonal untuk faktor kendali (Inner Array) dan faktor tak terkendali (Outter Array). 5. Penentuan matrik kombinasi (Product Array). Analisis Hasil Eksperimen Dalam tahap pengolahan data dilakukan penganalisaan hasil pengujian eksperimen secara statistik. Prosedur analisis hasil eksperimen dapat dijelaskan sebagai berikut : Tahap – tahap analisis hasil eksperimen yaitu : Uji normalitas data, pengujian ini dilakukan untuk mengetahui apakah data pengamatan berdistribusi normal atau tidak (Ross, 1998). Perhitungan Chi-kuadrat dilakukan dengan rumus.

⎛ Oi − Ei ⎞ ⎟ χ = i =1 Ei ⎠ k

∑ ⎜⎝

2

...................(1)

Uji homogenitas variansi, pengujian ini dilakukan untuk menguji homogenitas k buah (k 2) variansi populasi yang berdistribusi normal adalah dengan uji Bartlett (Peace, 1993). 2 χ 2 hitung = (ln 10){B − ∑(n1 − 1) log si }

S i2 = B

1 ⎡ t 2 ⎛ t ⎞⎤ 2 ⎢∑ y i − ⎜ ∑ ( y i ) / n ⎟ ⎥ n − 1 ⎣ i =1 ⎝ i =1 ⎠⎦ 2 ∑ (ni −1)

...................(3) ...................(4)

= (log s )

∑ (n − 1)S (n − 1) = ∑

2 i

i

2

...................(2)

...................(5)

i

s Analisis variansi (ANOVA), analisis variansi pada metode taguchi digunakan sebagai metode statistik untuk mengintepretasikan data-data hasil percobaan. Analisis varians adalah teknik perhitungan yang memungkinkan secara kuantitatif mengestimasikan kontribusi dari setiap factor pada semua pengukuran respon (Ross, 1998).

yi = y =

∑y

i

...................(6)

ni

∑

y

...................(7)

n

ST = ∑ y 2

...................(8)

Sm = n × y 2

...................(9) 2

2

SA = n A1 × A1 + n A 2 × A2 − Sm Se = ST − Sm − SA − SB − SC − SD − SE − SF − SG SA Mq A = v fA Mq F = Mqe

...................(12)

S’ = S – (vfA x Mqe) ρ = (S’/ST) x 100 %

...................(14) ...................(15)

ratio

...................(10) ...................(11)

...................(13)

Signal to Noise Ratio ( SNR ) hasil eksperimen dan Efek Tiap Faktor, S/N ratio adalah logaritma dari suatu fungsi kerugian kuadratik dan digunakan untuk mengevaluasi kualitas suatu produk. Penggunaan S/N ratio untuk mengetahui level faktor mana yang berpengaruh pada hasil eksperimen. S/N ratio terdiri dari beberapa tipe karakteristik kualitas (Peace, 1993), yaitu: 1. Smaller-the-Better (STB) Karakteristik kualitas dimana semakin kecil nilainya, maka kualitas semakin baik. Nilai S/N untuk karakteristik smaller-the-better yaitu: B-345


ISSN: 1979-911X

⎡1 n 2 ⎤ S / N _ STB = −10 log ⎢ ∑ Yi ⎥ ⎣ n i=n ⎦

...................(16)

2. Larger-the-Better (LTB) Karakteristik kualitas dimana semakin besar nilainya, maka kualitas semakin baik. Nilai S/N untuk karakteristik larger-the-better yaitu:

⎡1 n 1 ⎤ S / N _ LTB = −10 log ⎢ ∑ 2 ⎥ ⎣⎢ n i =n Yi ⎦⎥

...................(17)

3. Nominal-the-Better (NTB) Karakteristik kualitas dimana ditetapkan suatu niali nominal tertentu, jika nialainya mendekati nilai nominal yang ditetapkan maka kualitas semakin baik. Nilai S/N untuk karakteristik nominal-the-better yaitu:

⎡μ2 ⎤ S / N _ NTB = −10 log ⎢ 2 ⎥ ⎣σ ⎦

σ2

∑ (y =

1

−y

...................(18)

)

2

...................(19)

n −1

PEMBAHASAN Identifikasi dan pemilihan faktor Faktor-faktor yang dilibatkan dalam eksperimen ini adalah : 4. Kotoran sapi yang digunakan adalah 20gr dan 22gr, faktor level tersebut digunakan untuk melihat seberapa besar peningkatan volume gas. apabila dibawah 20 gr peningkatan volume tidak terlalu dan apabila diatas peningkatan volume terlalu jauh. 5. Inkoulumus yang digunakan adalah 10ml dan 12ml, faktor tersebut disesuiakan dengan perbandingan sampah basah. 6. Sampah basah yang digunakan adalah 10gr dan 12 gr, faktor tersebut disesuaikan dengan kotoran sapi dengan perbandingan 1:2 7. Aguades yang digunakan adalah 5ml dan 7ml, apabila dibawah 5ml campuran terlalu banyak padatan sedangkan kalau diatas 7ml campuran terlalu banyak cair. 8. Gas N2 yang digunakan adalah 80% dan 82%, apabila dibawah 80% tekanan gas didalam botol reaksi tidak vacum sedangkan kalau diatas 82% tidak sesuai dengan kapasitas botol reaksi. 9. Gas Co2 yang digunakan adalah 20% dan 22%, apabila dibawah 20% tekanan gas didalam botol reaksi tidak vacum sedangkan kalau diatas 22% tidak sesuai dengan kapasitas botol reaksi. 10. Putaran adukan yang digunakan untuk homogen adalah 30 Rpm dan 25 Rpm. Tabel 1 Faktor-faktor Kendali No 1 2 3 4 5 6 7

Faktor Kotoran sapi Inkoulumus Sampah basah Aquades gas N2 gas Co2 Putaran adukan

B-346

Level 1 20gr 10ml 10gr 5ml 80% 20% 30 Rpm

Level 2 22gr 12ml 12gr 7ml 82% 22% 25Rpm


ISSN: 1979-911X

Pelaksanaan eksperimen pelaksanaan eksperimen untuk mencari nilai daya serap air menggunakan L8 untuk inner array. Data hasil eksperimen ditunjukan oleh tabel dibawah ini : Tabel 2 Data pengujian daya serap air (mL) Trial 1 2 3 4 5 6 7 8

1 1 1 1 1 2 2 2 2

2 1 1 2 2 1 1 2 2

3 1 1 2 2 2 2 1 1

4 1 2 1 2 1 2 1 2

5 1 2 1 2 2 1 2 1

6 1 2 2 1 1 2 2 1

7 1 2 2 1 2 1 1 2

Y1 14,5 13,7 12,5 13,8 10,8 11,7 12,5 12,7

Y2 12,5 13,8 10,8 13,8 10,8 11,2 12,1 11,8

Y3 13,6 12,9 12,5 11,8 12,3 11 12,7 12,1

Y4 10,8 11,2 12,1 12,5 13,8 11,2 12,1 13,8

Pengolahan data 1. Uji Normalitas, Hasil perhitungan uji normalitas dengan menggunakan uji Kolmogorov-Smirnov dapat disimpulkan bahwa data mengikuti distribusi normal dengan nilai p =0,4 (p>0,05). 2. Uji Homogenitas, Sedangkan uji homogenitas dapat ditarik kesimpulan bahwa data kelompok memiliki varians yang sama yang ditunjukkan oleh nilai nilai p sebesar 0,194 pada taraf signifikansi 0,05. 3. Analisis Variansi (ANOVA), dari perhitungan di peroleh nilai daya serap air dari faktor A, B, C, D, E, F dan G masing-masing mempunyai F hitung sebesar 6,74 ; 0,52 ; 5,72 ; 0,24 ; 1,21 ; 1,97 dan 0,00 dan F tabel = 4,26. Dari ketujuh faktor di atas, faktor A dan faktor C mempunyai nilai F hitung > F tabel maka Ho ditolak, berarti faktor tersebut berpengaruh terhadap volume gas methane. 4. Signal to Noise Ratio ( SNR ) hasil eksperimen dan Efek Tiap Faktor, berdasarkan analisis Signal to Noise Ratio dan nilai efek tiap faktor untuk respon volume gas methane diperoleh formulasi terbaiknya adalah A1,B2,C2,D1,E2,F1,G2. dengan komposisi kotoran sapi 20 gr, inkoulumus 12 mL, sampah basah 12 gr, aquades 5 ml, gas N2 82%, gas Co2 20% dan putaran adukan 25 Rpm. KESIMPULAN Berdasarkan analisis data yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan. Faktor-faktor kendali yang berpengaruh secara signifikan terhadap respon volume gas methane yaitu kotoran sapi dan sampah basah. Kombinasi level faktor optimum berdasarkan analisis Signal to Noise Ratio dan nilai efek tiap faktor untuk respon volume gas methane diperoleh formulasi terbaiknya adalah A1,B2,C2,D1,E2,F1,G2. dengan komposisi kotoran sapi 20 gr, inkoulumus 12 mL, sampah basah 12 gr, aquades 5 ml, gas N2 82%, gas Co2 20% dan putaran adukan 25 Rpm. DAFTAR PUSTAKA Bitton, G. (1999). Wastewater Microbiology.2nd ed. Wiley Liss Inc. New York Deublein, D. and Steinhauser, A, (2008). “Biogas from Waste and Renewable Resource,” Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA ,Weinheim. Ikbal, Tang, Y., Fujimura, Y., Shigematsu, T., Morimura, S., and Kida, K. (2003). “ The affecting factors for optimization of mesophilic aceticlastic methanogenesis.” J. Water Treatment Biology, 39, 189-197 Isa, Z., Yong, W. M and Singh, M. M. (1980). “Manual of Laboratory Methodes for Chemical Analysis of RubberEfluent”. Kuala Lumpur, Rubber Research Institude of Malaysia. Kadarwati, Sri, (2003). “Studi Pembuatan Biogas dari Kotoran Kuda dan Sampah Organik Skala Laboratorium.” Publikasi P3TEK Vol. 2, No.1 Karki, A. B., Gautam, K. M. and Karki,A. (1994). “Biogas for Sustainable Development in Nepal.” Paper presented at Second International Conference on Science ant Technology for Poverty B-347


ISSN: 1979-911X

Alleviation organized by Royal Nepal Academy for Science and Technology (RONAST), Kathmandu, Nepal. Kida, K., Morimura, S., Sonoda, Y., Obe M., and Kondo, T. (1990). Support media for microbial adhesion in an anaerobic fluidized-bed reactor. J. Ferment. Bioeng. 69, 354~359 Metcalf & Eddy Inc., (1991). “ Wastewater Engineering Treatment,” Disposal, Reuse (3rd Ed). McGraw-Hill International Edition National Academy of Sciences (NAS) (1981). “Methane generation from human, animal, and agricultural wastes.” Second edition. National Academy of Sciences, Washington, D.C. 131p. Peace, G. S. (1993). Taguchi Methods . Addison - Wesley Publishing Company. Ross, P.J.(1998). Taguchi Techniques For Quality Engineering. McGraw-Hill,Inc., New York. Reith, J.H., H. den Uil, H. van Veen, W.T.A.M. de Laat, Niessen, J.J., de Jong, E., Elbersen, H.W., Weusthuis, R., van Dijken, J.P. and Raamsdonk, L. (2002). “Co-production of bioethanol, electricity and heat from biomass residues.” Proceedings Proceeding sof the 12th European Conference on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, Amsterdam, The Netherlands. pp. 1118 - 1123. Wellinger A, & A. Lindeberg (1999). “Biogas upgrading and utilization.” IEA Bioenergy Task 24: energy from biological conversion of organik wastes Winarno, F.G., (1992). “ Kimia Pangan dan Nutrisi.” Penerbit PT Gramedia Jakarta.

B-348

DESIGN OF EXPERIMENT (DOE) UNTUK MENDAPATKAN KOMPOSISI TERBAIK METHANE BERBAHAN SAMPAH PADAT PERKOTAAN

Recommend Documents